Исследование и разработка получения скандия из кека отвального алюминотермическим методом

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 669.85                                        

Металлотермические процессы впервые подробного исследованы Н. Н. Бекетовым. Ученый указал также на возможность использования этих реакций в промышленности [1].

Для эффективного проведения процесса металлотермического восстановления оксидов необходимо соблюдать следующие основные условия:

• 1.    количество теплоты, выделяющейся при реакции, должно быть достаточным для нагревания реакционной смеси до температуры, превышающей температуру плавления, как восстанавливаемого оксида металла, так и образующегося продукта;

• 2.    температуры плавления продуктов реакции, должны быть меньше температуры, достигаемой при реакции;

• 3.    необходимо использовать безводные оксиды;

• 4.    восстанавливаемый оксид и металлический алюминий должен быть диаметром 1-3 мм;

• 5.    для снижения температуры плавления образующегося оксида алюминия в реакционную смесь следует добавлять СaO (для связывания Al 2 O 2 при переводе его в шлак.

• 6.    марганцовые стали обладают большой прочностью и хорошо сопротивляются ударам. Их используют в машиностроении, при изготовлении пружин, инструментов, танковой брони, наконечников бронебойных снарядов и т.д.

• 7.    к пирометаллургическим способам относятся металлотермия когда роль восстановителя играет активный металл, образование оксида или галогенида которого сопровождается большим тепловым эффектом. С помощью алюминия получают магний из MgO, кальций (из СaО), стронций (из SnO), ванадий (из V 2 O 3 ), хром (из Cr 2 O 2 ), марганец (из Mn 3 O 4 ), кобальт(из Co 2 O 4 ) и др.

• 8.    восстановление металлов из оксидов можно осуществлять и с помощью других простых веществ (кремний, алюминий). Такие реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты и называются элементотермическими. С помощью алюмотермии получают многие металлы и их сплавы.

Кремний часто получают в виде сплава с железом (ферросилиций) сильным накаливанием смеси SiО 2 , железной руды и угля. Сплавы содержащие до 20% Si, могут быть, изготовлены в доменных печах, более высоко процентные в электрической дуге. Ферросилиций не посредственно используется для изготовления кислота упорных изделий так как уже при 15% Si (кремний) на металл не действуют все обычные кислоты, кроме солянкой, а при 50% Si — перестает действовать(HNO 3, HCL, H 2 SO 4 )на нее. Важнейшее применение ферросилиций исходит в металлургии, где он употребляется введение кремния в различные сорта специальной сталей и чугунов.

MeO + SiO2 + 3С = MeSi + 3C0 2MeO + 3Si = 2MeSi + SiO2

Это алюминотермическая реакция.

MeO + Al(Mg) + SiO2 + S = MeSi+ шлак содержащий (Al. Mg и S') [2].

Для получения ферросилиция использовали тяжелые фракции сурьмяных отходов Кадамжайского сурьмяного комбината. Для приготовления шихты из техногенных отходов взвесить 80 г, железной стружки 16 г и в качестве восстановителя используют 4,0 полукокс, полученный из угля Чангет Узгенского угольного бассейна.

Плавления шихты проводилось в электродуговой печи при 1220-13000С.

Восстановление кремния углеродом происходит по реакции SiO₂ + 2С = Si + 2Со

В случае избытка восстановится образуется также SiO₂ + 3С = Si + 2Со

В этом случае присутствия железа разрушает карбид кремния оксидом кремния (SiO₂) по реакции 2SiC+SiO₂ = 2Si + 2CoSi + Fe = FeSi

Ферросилиций получают в электродуговой печи путем восстановления кремния из кварца углеродом кокса, непрерывным процессом, при постоянный загрузки шихтовых материалов и периодических выпусках сплавов и шлака. Для шихтовых материалов используют «тяжелые» фракции промышленных отходов Кадамджайского сурьмяного комбината (штейн, шлак) Узгенской кокс и железные стружки [3].

В баланс стоимости производства ферросилиция основное место занимает расход электроэнергии, на долю который приходится до 40% затраты и более. Поэтому основным техноэкономическим показателей производство ферросилиция и кремния является удельной расход электроэнергии. Его рассчитывает на базовую тонну т.е. в пересчете на тонну FeSi с базовым содержанием ведущего элемента [4].

В процессах брикетирования порошковых металлургических материалов широко применяется неорганические вяжущие вещества (цемент, глина, жидкое, стекло). При брикетирование ферросилиций активно взаимодействует с щелочным компонентом жидкого стекла. Кремний из ферросилиция взаимодействует с гидроксилом натрия и переход в диоксид кремния [5, 6].

Исследованы и определены состав элементов техногенных отходов атомноэмиссионный методом, что приближено к количественным методам испарения пробы с применением угольного электрода [7].

Для получения лантана в качестве реактора использовали танталовый тигель, поскольку при реакции в нем не загрязняется полученный продукт, реакция начнется при 500С. Полное восстановление лантана происходит при 9500С, через 2 часа для литиетермической реакции использовали, обогащенный хлорид лантана. Получен металлический лантан в виде крупных кристаллов чистотой 99,6% массы) [8].

Исследование скандия проводилось фотометрическим методом при длине волны 670 нм в кюветах с толщиной поглощающего слоя 20 мм, с реагентом арсеназо-III в кислой рН 1-2 среде содержание скандия из техногенных отходов (шлак отвальный) составляют 96,4 мг. Для восстановления скандия восстановительную реакцию хлорида скандия проводили в бомбе с применением металлического натрия. Растворим не редкоземельную примесь (нежелательный не редкоземельный элемент в редкоземельном продукте) в HCl. Растворенные примеси осаждали органическим и неорганическим реагентом, фильтровали вакуумным способом, сушили и получили хлорид скандия. Для восстановления скандия восстановительную реакцию использовали хлорида скандия проводили в бомбе с применением металлического натрия. Полученный продукт металлический скандий содержит около 99,8% Sc и 0,2% различных примесей [9].

Установлено, что выход, из состава продукта проходящий через сито от 0,8 до 0,3 мкм составляют примерно 2-9%, а выход из состава продукта проходящего через сито от 0,2 до 0,05 мкм составляет 20%. Для исследования использовали 0,05 мкм мелкая фракция [10, 11].

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 10. №7. 2024

Химический состав техногенных отходов (кек отвальная), исследован рентгенофлуоресцентным методом (Таблица 1).

Таблица 1

XRF-,SCIENTIFI ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ХL3T-960 (США) [11]

Химические элементы	Кек отвальный, мг/кг.(ppm)	Химические элементы	Кек отвальный, мг/кг.(ppm)
As	190±9	Ca	303.2К±0.9К
Pb	60±7	Sc	1273±154
Sb	5067±32	Au	5±1,2
К	622±205	S	11.4К±0.8К
Hg	14±7	Cd	12±7
Fe	125±8	Cr	52±13

Экспериментальная часть

Для исследования и получения скандия использовали техногенные отходы (кек отвальный). Кек отвальный образуется вакуумной фильтрации раствора в процессе выщелачивание антимонита. Для исследования взяли 0,05 мкм обогащенную мелкую фракцию кека. В лабораторных условиях можно сделать установки для получения скандия алюминотермическим методом. В качестве реактора использовали кварцевый тигель, поскольку при реакции в нем не загрязняется полученный продукт. Можно использовать корундовый, шамотный и глиняный тигель, но при этом полученный продукт загрязняется кремнием и другими веществами. Кроме того кварцевый тигель выдержит до 12000С. Реакция начнется при 8100С. Полное восстановление скандия происходит при 9350С, через 78 минут. Состав композиции и результаты измерения времени горения и температуры представлены в Таблице 2.

Таблица 2 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ГОРЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ

Состав смеси масс %                    Время горения Температура 0С мин

10% обогащенный кек + 12% алюминовый порошок                7-8             930

+ зажигательная смесь

В процессе металлотермической процессе нами было получено скандий и другие побочные продукты. Данные реакции можно описать в виде следующим реакции ScCl 3 +3 Al = Sc+ 3AlCl

Процесс алюминотермической реакции для получение скандия показан на Рисунке.

Рисунок. Схема технология получения скандия: 1 - дробление сырья, 2 - сушка, 3 - весовая, 4 -кварцевый емкость и композиционный смесь, 5 - зажигательный смесь, 6 - металлический скандий, 7 - шлак

Вывод

Для получения скандия в качестве реактора использовали кварцевый тигель, поскольку при реакции в нем не загрязняется полученный продукт. Реакция начиется при 8100С.

Полное восстановление скандия происходит при 9350С через 7-8 минут.